Каждый проводник с током может создавать в окружающем пространстве магнитное поле. В то же время электрический ток является упорядоченным движением электрических зарядов. Таким образом, любой заряд, движущийся в среде или в вакууме, создает вокруг себя магнитное поле.
Результатом обобщения данных экспериментов стал специальный закон, определяющий поле точечного заряда. Это поле свободно движется с нерелятивистской скоростью. Свободное движение заряда предполагает его движение с постоянной скоростью. Данный закон выражается формулой:
Рисунок 1. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Модуль магнитной индукции определяется по формуле:
Рисунок 2. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Впервые обнаружить поле движущегося заряда удалось американскому ученому Г. Роуланду. Окончательное подтверждение этого было получено ученым А. Эйхенвальдом при изучении магнитного поля конвекционного тока и связанных зарядов поляризованного диэлектрика.
Измерение магнитного поля свободно движущихся зарядов было произведено ученым А. Иоффе, доказавшим эквивалентность возбуждения магнитного поля, тока проводимости и электронного пучка.
Воздействие магнитного поля на движущийся заряд
Согласно экспериментальным исследованиям, магнитное поле воздействует не только на проводники с током, но также и на отдельные заряды, которые движутся в магнитном поле. Сила воздействия на электрический заряд, который движется в магнитном поле с некоторой скоростью, называется силой Лоренца, определяемой по формуле:
Рисунок 3. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Магнитное поле не оказывает воздействия на электрический заряд, пребывающий в состоянии покоя. В этом заключается существенное отличие между магнитным и электрическим полями. Магнитное поле может воздействовать только на движущиеся в нем заряды.
Сила Лоренца будет всегда перпендикулярной скорости движения заряженных частиц, поэтому может изменять только направление этой скорости, при этом не изменяя ее модуля. Таким образом, сила Лоренца не совершают работу.
Постоянное магнитное поле не совершает работу над заряженной частицей, движущейся в нем. Кинетическая энергия такой частицы не изменяется при движении в магнитном поле.
Если помимо магнитного поля с определенной индукцией на движущийся электрический заряд воздействует также электрическое поле с некоторой напряженностью, то приложенная к заряду результирующая сила будет определяться векторной суммой сил:
- силы, действующей со стороны электрического поля;
- силы Лоренца.
Рисунок 4. Формула. Лоренца. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Данное выражение называется формулой Лоренца. Скорость в данной формуле представляет отношение скорости заряда и магнитного поля.
Движение заряженных частиц в магнитном поле
Направления силы Лоренца и вызываемого ею отклонения заряженных частиц в магнитном поле зависят от знака заряда частиц. На этом основывается определение знака заряда движущихся в магнитных полях частиц.
Для вывода общих закономерностей можно считать магнитное поле однородным. Тогда сила Лоренца примет нулевое значение. Таким образом, магнитное поле на частицу не воздействует и ее движение будет прямолинейным и равномерным.
При движении заряженной частицы в магнитном поле с определенной скоростью, перпендикулярной рассматриваемому вектору, сила Лоренца будет постоянной по модулю и нормальна к траектории частицы. На основании второго закона Ньютона, такая сила создает центростремительное ускорение, из чего следует движение частицы по окружности, радиус которой определяет условие:
Рисунок 5. Условие. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Период вращения частицы в магнитном однородном поле определяется исключительно величиной, обратной ее удельному заряду, и магнитной индукцией поля, но при этом не зависит от ее скорости. На этом основывается принцип действия циклических ускорителей заряженных частиц. Направление, в котором спираль закручивается, зависит от знака заряда частицы.
Ускорители заряженных частиц
Ускорители заряженных частиц представляют устройства, в которых под воздействием электрических и магнитных полей формируются и пучки высокоэнергетических заряженных частиц, таких как протоны, электроны и мезоны.
Любой ускоритель характеризуется видом ускоряемых частиц, а также сообщаемой им энергией и интенсивностью пучка. Ускорители бывают:
- непрерывными (из них выходит пучок, равномерный по времени);
- импульсными (частицы из них вылетают порциями — импульсами и характеризуются длительностью импульса).
Согласно форме траектории и механизму ускорения частицы ускорители бывают циклическими, линейными и индукционными.
Траектории движения частиц в линейных ускорителях приближены к прямым линиям, а в индукционных и циклических — к окружностям или спиралям. Существуют разные типы ускорителей заряженных частиц. Среди них выделяют:
- Линейный. Ускорение частиц, которое осуществляется за счет электростатического поля, создаваемого высоковольтным генератором. Заряженная частица проходит поле один раз: заряд при прохождении разности потенциалов, приобретает определенную энергию. Их последующее ускорение за счет источников постоянного напряжения становится невозможным из-за пробоев, утечки зарядов и др.
- Линейные резонансные ускорители, при которых ускорение заряженных частиц производится посредством переменного электрического поля сверхвысокой частоты, синхронно изменяющегося при движении частиц. Протоны таким способом будут ускоряться до энергий порядка десятков мегаэлектрон-вольт, а электроны — до десятков гигаэлектрон-вольт.
- Циклотрон, представляющий циклический резонансный ускоритель для тяжелых частиц (ионов, протонов). Проводится следующий эксперимент: вакуумная камера помещается между полюсами сильного электромагнита. В этой вакуумной камере находятся два электрода (как полые металлические полуцилиндры или дуанты). К дуантам приложено электрическое переменное поле. Магнитное поле, которое создается электромагнитом, будет однородным и перпендикулярным плоскости дуантов.
